Věda a technika v pozadí
Vířivé proudy
Teorie
Vířivé proudy vznikají v masivních vodičích pohybujících se v magnetickém poli nebo v časově proměnném magnetickém poli, kde jsou vodiče v klidu. Vlivem časové změny magnetického indukčního toku se ve vodiči indukují proudy, jejichž směr nelze přesně určit. Díky nim je masivní pohybující se vodič bržděn v pohybu. Toho můžeme využít k tlumení systémů měřidel, aby systém dlouho nekmital. Naopak u rotorů elektromotorů je brždění nežádoucí a proto se snažíme účinky vířivých proudů potlačit. Dalším důsledkem je zahřívání vodiče. Toho se dá využít ke kalení součástek vložením do cívky s vysokofrekvenčními proudy, tzv. vysokofrekvenční ohřev, nebo při vaření na sklokeramických varných indukčních deskách. V případě transformátorů je tento jev nežádoucí, protože způsobuje ztrátu energie a tím snižuje účinnost transformátoru. V případech, kdy potřebujeme vířivé proudy potlačit, skládáme masivní vodič z tenkých izolovaných plechů. V tenkém vodiči vířivé proudy nevznikají.
Primárním obvodem sklokeramické varné indukční desky je cívka uložená pod sklokeramickou deskou, zatímco sekundárním obvodem je varná nádoba. Ze spotřebitelské sítě je odebíráno napětí o frekvenci 50 Hz. Měnič ho převede na hodnotu 25 – 35 kHz a dodá indukční cívce pod sklokeramickou deskou. Cívkou začne procházet vysokofrekvenční elektrický proud a zároveň se kolem ní vytváří silné magnetické pole. Umístěním varné nádoby na varnou zónu získáváme dva obvody vázané indukční vazbou. Dno nádoby supluje sekundární cívku, kterou prochází indukční tok generovaný primární cívkou. V silném dnu varné nádoby zhotoveném z vodivého a zmagnetizovatelného materiálu dochází ke vzniku Foucaultových vířivých proudů. Následkem je ohřátí dna nádoby, které přímo předává tepelnou energii obsahu varné nádoby. Proto jsou energetické ztráty tak nízké a energetická efektivnost indukčních varných desek dosahuje 90 %. Ztráty v indukční cívce a ostatních prvcích se pohybují kolem 4 % a samotná elektronika nespotřebovává více jak 6 % dodané elektrické energie. Další výhodou indukčních varných desek je okamžitá regulace výkonu a rychlost ohřevu. Mezi nevýhody indukčních varných desek počítáme vyšší pořizovací náklady a nutnost používání speciálního nádobí. Varnou nádobu lze podrobit testu vhodnosti použití k indukčnímu ohřevu. Nejjednodušším způsobem je přiložení permanentního magnetu u dna nádoby. Magnet u dna musí držet, protože dno nádoby musí být zmagnetizovatelné.
Klasický třífázový analogový elektroměr typu Křižík ET 404, který se vyráběl v Prešově od roku 1974.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Vířivé proudy ke své činnosti využívá analogový elektroměr, který slouží k měření odebrané elektrické energie. Na první pohled je v elektoměru vidět hliníkový kotouček, který se otáčí tak rychle, jak mnoho elektické energie odebíráme. Pohyb kotoučku se přenáší na analogové počítací zařízení. Jak to tedy funguje? Kotouček elektroměru je upevněn na svislé hřídeli. Nad kotoučkem jsou umístěny dva elektromagnety. Každý se třemi jádry. Střídavý proud, který měříme, protéká vinutím vnějších jader spodního magnetu. Magnetuje jedno jádro severně a druhé jižně. Póly se při každé změně proudu obracejí.
Princip elektroměru.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Horní magnet má vinutí jen na prostředním jádru, je střídavě magnetován seveně a jižně. Protože je na něm mnoho závitů je vlivem indukce proud zpožděn za napětím. Tím dochází k posunu magnetického pole mezi jádry spodního magnetu, i když ony samétné se nepohybují. Čím silnější je proud ve spodním magnetu, tím rychleji se kotouček bude točit, unášen pohybujícím se magnetickým polem. Vířivé proudy od stálého magnetu otáčení kotoučku brzdí.
Vířivé proudy jsou pojmenovány na počest Leona Foucaulta, který se narodil 11. září 1819. Zprvu působil na pařížské observatoři jako astronom a optik. Zrcadlo Newtonova dalekohledu pokryl stříbrnou vrstvou, čímž se podstatně zvýšila jeho odrazivost a tím i citlivost. Roku 1850 Foucault změřil rychlost světla ve vodě a tím získal další důkaz ve prospěch vlnové teorie světla.
Leon Foucault.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Nejznámějším se ovšem Foucault stal pokusem s kyvadlem, který provedl roku 1851 v pařížském Pantheónu. Na 67 m dlouhé lano zavěsil závaží o hmotnosti 28 kg, kyvadlo se kývalo s periodou asi 16 s a dokázalo se kývat několik hodin. Hrot na závaží vyrýval do písku svoji měnící se polohu a hlavně měnící se rovinu kyvu. Gustav Coriolise objevil setrvačnou sílu, která vzniká v otáčivé soustavě z hlediska pozorovatele s ní spojeného a která z pohledu pozorovatele spojeného s rotující soustavou způsobuje postupné odchylování roviny kyvu kyvadla od původního směru. Vzhledem k soustavě spojené například s hvězdami k odchylce roviny kyvu nedochází – kyvadlo vzhledem k tomuto prostoru kývá ve stále stejné rovině. Pomocí této myšlenky Foucault vysvětlil změnu roviny kyvu kyvadla.
